冷門又有趣的細胞器:七座機器如何拆掉「細胞器」這條界線

所謂「冷門細胞器」,要麼是指沒什麼人研究的——既然沒什麼人研究,那通常也不會有趣,這樣一問,問題本身就自相矛盾了。

所以換個讀法:新發現的、功能很重要的,甚至定義和存在性都還有爭議的,而且研究得很不全面的,大概就是這個意思。

然而,隨著人們在細胞內發現越來越多複雜機器、對它們的認識也不斷加深,細胞器(organelles)這個概念正在被拆解。

一般說細胞器分「膜性細胞器」和「無膜細胞器」,比如內質網、高爾基體,與核糖體、中心體、剪接體,好像兩邊的界線涇渭分明。

一些偏冷門的膜性細胞器包括:自噬體(autophagosome,而且有雙層膜)、過氧化物酶體(peroxisome)等等;此外,外泌體(exosome),以及前幾年俞立等發現的遷移體(migrasome),也被標記為一種細胞器,其功能可能是細胞排出廢物的機制,例如清除受損的粒線體。

但現在,大型分子複合物(macromolecular complex)和相分離(phase separation),讓我們對細胞器的認識越來越改變,出現了一些很不尋常的趨勢。

一方面,這些分子機器與細胞器之間總是相互串擾,構成一張高度動態的巨大網絡;有些複合物根本沒有完整的形態(無法界定出一個代表它完整形態的分子組成),只能稱為分子平台(platform)或分子通路(pathway)。

另一方面,(液-液)相分離(LLPS)提供了不同於膜的分隔機制,甚至是區室機制,其中一些蛋白或 lncRNA 就充當區室結構的邊界支架。

此外,研究發現核糖體、內質網、高爾基體等細胞器的發生與形成,也依賴相分離過程。

還有幾點值得注意。

有些相分離液滴甚至具有複雜結構。比如呼吸道融合病毒(respiratory syncytial virus, RSV)的包涵體(inclusion bodies, IBs),病毒 RNA 在其中複製時又形成包涵體相關顆粒(IBAGs),結果包涵體看起來竟然活像一個細胞(Nature Communications, 2017)。

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細胞器的膜也是半透膜或條件透過膜,上面有各種孔蛋白控制物質進出。例如內質網膜上的 Sel1L-Hrd1 複合物(Trends in Biochemical Sciences, 2018)、過氧化物酶體上的 Pex13-Pex5(Science, 2022)、粒線體外膜的 Tom40-Tom20/22、粒線體內膜的 Tim23/17-Tim44、溶酶體膜的 LAMP2a 等,可以對蛋白等大分子進行跨膜運輸(但貨物在運輸時結構已被破壞或不完整);而核膜上的核孔複合體(NPC)則可以完整地運輸。也就是說,分隔程度與透過性只有大與小的差別,而不是有與無的差別。

膜性細胞器的膜(注意是它們的膜,而不是其他組分)並非從頭發生,而是要麼依賴核—內質網—高爾基體—質膜這條主軸膜系統,要麼靠同類細胞器分裂繁殖或其他形式的自我複製而形成。真核細胞是否具有從頭組裝出有功能的閉合膜腔的能力,現在仍存疑。

把上面這些情況合起來,就形成了一座從簡單大分子到複雜典型細胞器的金字塔,每個層次都發揮著自己獨特而重要的功能。

與此相比,現今某些學者或報導,鑑定出新型囊泡、大液滴或蛋白機器,就高興地直呼自己「發現了一種新的細胞器」——這種做法其實頗令人覺得畫風詭異。

好,說完了上面這些,現在姑且舉幾個「冷門細胞器」的例子。

遷移體:留在遷移尾跡上的石榴

應讀者要求加上遷移體。顧名思義,它就是遷移中的細胞產生、並遺留在自己遷移尾跡上的「石榴樣」囊泡性細胞器(FEBS Journal, 2022)。

目前已鑑定出,四跨膜蛋白 tetraspanin(Tspan)家族成員,如 Tspan4 富集於遷移體中,可以作為標誌物,也是遷移體發生機制的中心角色。之後又鑑定出更多標誌物,如 NDST1、PIGK、CPQ、EOGT、整合素、WGA(小麥胚芽凝集素,含 N-乙醯-D-葡萄糖胺與 N-乙醯神經氨酸)等。Tspan4 或其他 Tspans 傾向在尾跡上某些位置富集並鼓起,而「某些位置」似乎取決於幾種整合素 integrin 如 α1 與 α5,以及它們在細胞外基質(ECM)中特定配體的分布特徵(還有待進一步釐清)。

有意思的是,即使離細胞主體很遠,遷移體仍透過收縮纖維(retraction fibers, RFs)相連;另外,脫離的遷移體也不等同於外泌體——與外泌體相比差別很大,只能歸為另一種特殊的外膜囊泡。

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圍繞遷移體的生物學功能,目前提出三個模型,各有證據與案例,更多功能與機制仍待發掘。

包裝資訊,向周圍細胞傳遞訊號。 例如富集大量細胞激素、趨化激素、生長因子,並在遷移體所在位置緩慢持續釋放,而不是一次性大量釋放。

垃圾處理機制。 例如發現一種稱為粒線體胞吐(mitocytosis)的機制:細胞把受損粒線體分選進入遷移體。其分選機制似乎與受損粒線體無法結合動力蛋白 dynein、反而去結合驅動蛋白 kinesin I 有關,導致受損粒線體被運送到細胞邊緣區,並由肌球蛋白 myosin19 錨定於質膜上(myosin19 又結合於細胞皮質肌動蛋白),最後被封裝進遷移體。粒線體胞吐只在輕度粒線體壓力時發生(嚴重壓力會引起細胞死亡)。受損粒線體透過遷移體外拋的實際數量小、速度慢,代表一種粒線體品質管控機制,可能與粒線體自噬(mitophagy)協同作用。中性粒細胞是粒線體胞吐活躍的細胞之一,其分泌的遷移體中含受損粒線體;敲除 Tspan9 的小鼠,循環中粒細胞的存活率與粒線體膜電位嚴重下降。有意思的是,細胞移動本身相當耗能,會引起輕度粒線體壓力——所以遷移體的出現,時機恰好得宜。

功能分子的水平轉移(透過靶細胞內吞遷移體)。 例如把含 Pten mRNA 的遷移體加入腫瘤細胞株共培養,腫瘤細胞中便出現 Pten 蛋白合成;Pten 幾乎完全阻斷 P-Akt 訊號,並抑制腫瘤細胞增殖。不過目前仍不清楚,被內吞的遷移體如何躲過被溶酶體降解的命運。

遷移體是新近發現的細胞器,其發現是本國科學家近年標誌性的原創科研成果。不過相關研究需要時間沉澱,也該鼓勵那些有興趣卻仍抱持懷疑的人:跟從他人建立的隊列,並不無趣,也不可恥。

PML 小體:每個細胞核裡五到三十顆點

PML 是「原髓細胞性白血病」(promyelocytic leukemia)的意思。PML 小體又稱 ND10(ND: nuclear domain)、Kremer 小體,有時乾脆簡稱核小體(nuclear bodies),縮寫 PML-NBs。

它位於細胞核內,大小 0.1 至 1.0 μm,是球形、無膜的區室。最初在急性早幼粒細胞白血病(acute promyelocytic leukemia, APL)細胞中被發現,其中染色體易位產生了 PML-RARα 融合腫瘤基因;之後在許多其他類型細胞中都找得到——典型情況是每個細胞核 5 至 30 個,並證實它與許多細胞功能有關。它叫 PML 小體,不是因為 PML 這種疾病,而是因為它標誌性的骨架蛋白 PML:大量 PML 蛋白圍成了 PML 小體的邊界。

PML 蛋白(UniProt P29590)與 PML 小體的發生組裝:PML 又叫 RNF71、TRIM19。RNF 表示環指(RING finger),TRIM 表示它是「三分模體」(tripartite motif)包含蛋白家族成員;RING 其實是「really interesting new gene」的縮寫,是當年發現者取的、可能只是臨時的名字。人類 PML 有 882 個殘基。雖然富集於 PML 小體中,但它的分布其實遍及細胞各部位。

關鍵結構特徵包括:RBCC 模體,也就是上面說的「三分模體」——一個環指結構域(使 PML 成為 E3 SUMO 連接酶)、兩個富含半胱-組胺酸(CH-rich)的 B-box 結構域(可結合 Zn²⁺)、一個捲曲螺旋(α-helical coiled-coil)結構域,縮寫分別是 R、B、CC;核定位訊號(NLS);SUMO 互作模體(SIM),可與 SUMO 及 SUMO 化的蛋白質互作;以及 K65、K160、K490 等多個離胺酸位點被 SUMO 化修飾。

按照相分離的理論,PML 就是個典型的相分離分子。不過 PML 的相分離能力——雖然很重要——不足以單獨解釋:為什麼 PML 形成的是 PML 小體的外殼(outer shell),而不是一顆均勻的 PML 液滴。

通常把 PML 稱作「支架蛋白」(scaffold),把 PML-NBs 內腔中的蛋白稱作「客戶蛋白」(client)。之後有人提出更複雜的 PML-NBs 發生模型(Nature Communications, 2020),涉及 PML 單體之間也能形成分子間二硫鍵,以及最終可能是寡聚化形式、而非 PML 單體,構成了 PML-NBs。

此外,結合在染色質上的 PML 也可能是 PML-NBs 發生的啟動開關:轉錄活躍的區域常常是 PML-NBs 的發生位點,而且剛轉錄出來的 RNA 常常位於 PML-NBs 內。

另外,K65、K160、K490 三個位點的 SUMO 化(分別由 PIAS1、PIAS2 和 RANBP2 介導)對 PML-NBs 的形成至關重要。DNA 損傷、病毒感染(已報導的包括人類巨細胞病毒 HCMV、單純疱疹病毒 HSV、HIV)、砷、細胞壓力、細胞分化事件等因素,都能調節 PML 的 SUMO 化;IFN-α 與 IFN-γ 訊號則可刺激 PML-NBs 形成。特別值得注意的是,砷在白血病中引起 PML-RARα 融合蛋白 SUMO 化與泛素化,進而使其降解——這是某些砷劑治療白血病的藥理機制之一。

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PML-NBs 的內容物龐雜繁多,可透過內容物間接推測其功能,包括:Sp100(第一個鑑定的客戶蛋白)、UBC9(目前唯一已知的 E2 SUMO 連接酶)、組蛋白及其變體(如 H3.3)、組蛋白伴侶(ATRX、DAXX、DEK、HIRA 複合物(含 HIRA、UBN1、CABIN1,有時含 ASF1A))、染色質修飾酶(如 CBP、MOZ/KAT6A、TIP60/KAT5 是轉乙醯基酶,HDAC7 是 IIA 型去乙醯化酶,SETDB1 是 H3K9 三甲基轉移酶,SIRT1 是去乙醯化酶,TET2 是 DNA 去甲基化酶)。

它與染色質動力學、基因表現調控之間的關係自然最令人在意;涉及的特定細胞功能可能包括氧化/損傷壓力、抗病毒免疫、衰老(因發現它與端粒的互作,更發現 lnc-TERRA 是 PML-NBs 的客戶成分)。

總而言之,PML-NBs 發生過程複雜、組分繁多、結構高度動態,堪為典型的細胞器;而它在「細胞器金字塔」中的層次,似乎介於膜性細胞器與典型大蛋白複合物之間。

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核旁斑:把 RNA 圍困起來的地方

這可能是個真正的冷門細胞器,因為總體上研究得並不多。核旁斑(paraspeckle)含 lnc-NEAT1 與核心蛋白 NONO、SFPQ、PSPC1 等,已鑑定的成分詳表可見維基詞條。它位於許多真核細胞的核內,功能推測是透過液-液相分離(LLPS)機制「圍困」RNA 或蛋白質分子,使其不能發揮功能、不能進入細胞質(核內滯留)或不能進一步加工;此外還與基因表現調節、RNA 剪接有關,但具體機制都有待闡明。

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Cajal 小體與剪接體

Cajal 小體以發現該結構的 Santiago Ramón y Cajal(1903)命名,又稱捲曲小體(coiled body),簡稱 CBs。之所以叫「捲曲小體」,是因為早期形態學觀察描述其內部結構就像捲曲的線團(Journal of Ultrastructural Research, 1969);直到 1999 年,才把一批在酵母、哺乳動物與植物中觀察到的相似結構一併命名為 Cajal 小體(Cajal 音「卡哈爾」)。

Cajal 小體的分布範圍很局限,僅見於神經元與增殖或代謝活躍的細胞,如肝臟、胚胎與癌細胞等;就算是這些細胞,也不是每一個都有。大小 0.1 至 2.0 μm,無膜。最初 Cajal 把它記錄為神經元細胞核中嗜銀的核仁附屬顆粒,後來鑑定出捲曲蛋白(coilin/p80)作為 Cajal 小體的標誌物(Journal of Cell Science, 2022),而有功能的捲曲蛋白也是有功能的 CBs 的必要條件。

為了理解 CBs 的功能,得先介紹「剪接體」(spliceosome)。一般讀者很容易熟悉內含子與外顯子,卻對剪接過程一無所知,因為剪接過程實在太複雜了。

剪接體的主體是一系列含核內小 RNA(snRNA)的 RNPs:U1、U2、U5 snRNP 與 U4/U6 di-snRNP(U4 snRNA 與 U6 snRNA 部分互補配對而結合在一起,所以下面提到的 U4/U5/U6 tri-snRNP,更標準的寫法是「U4/U6.U5 tri-snRNP」)。U1、U2、U4、U5、U6 snRNA 被稱為剪接體 snRNA;U3 snRNA 與 rRNA 加工有關,U7 snRNA 與組蛋白 mRNA 3' 端處理有關。

另外,U6 與 U6atac snRNA 由 RNA 聚合酶 III 轉錄,屬於 Lsm 類 snRNA,有 5'-γ-磷酸一甲酯(5′-γ-monomethylphosphate)帽;其特殊之處在於,對應 snRNP 的組裝不依賴 Sm 複合物,而依賴 Lsm 複合物,而且是直接在細胞核內進行,不像其他 snRNP 那樣在細胞質中組裝。其他 snRNA 則屬於 Sm 類 snRNA。之所以用「Ux」標記,是因為它們富含尿嘧啶。其他 snRNA 還有 U11、U12 與 U4atac,它們與 U6atac、U5 一起構成次要剪接體的 snRNA(RNA Biology, 2017)。

參與剪接循環的蛋白數量甚大,超過 100 種,剪接體是真正的巨型分子機器。

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剪接循環大致如下(Annual Review of Biochemistry, 2020)。

剪接訊號的辨識。 U1 snRNP 借助剪接因子 ASF/AS2 辨識並結合 5'-剪接訊號(splicing signal, SS)即 GU,其中 U1 snRNA 與 5'-SS 互補配對。

E-複合物組裝。 U2 輔助因子即 U2AF 複合物(U2AF65/U2AF1 與 U2AF35/U2AF2)辨識並結合 3'-SS 即 AG,剪接因子 SF1 辨識並結合分支點序列(BPS),再加上其他剪接因子,形成 E-複合物(E: early),或稱定向(commitment)複合物。

A 複合物/前剪接體形成。 U2 snRNP 被招募至分支點序列,SF1 被排除離開分支點,此步耗能(Prp5 與 Sub2/UAP56 催化)。此時稱為 A-複合物,也就是「前剪接體」(pre-spliceosome)。U2 snRNP 與 BPS 緊密結合,其中 U2 snRNA 與 BPS 互補配對,但 U2 snRNA 中的一個假尿嘧啶(Ψ)使配對雙鏈處於一種獨特構象,讓 BPS 中一個腺嘌呤(A)殘基的 2'-OH 落在有利於剪接反應發生的位置上。

B-複合物。 U4/U5/U6 tri-snRNP 在 Cajal 小體中組裝,隨後在 Spf30 協助下裝載,第一次形成完整的剪接體(前 B-複合物)。接著在水解 ATP(Prp28)的推動下,各 snRNPs 發生一連串位置重排,U1 snRNP 被 U6 snRNP 排除出原位而解離(耗能),最終 B-複合物形成。

B-複合物/剪接體的活化。 U4 snRNP 解離(耗能,Brr2 催化),使 U6 snRNA 的分子內莖環(ISL)被釋放出來,參與剪接反應活性中心的組成。這個過程招募 20 餘個蛋白,組成十九複合物(nineteen complex, NTC)與 NTC 相關複合物(NTR),有穩定活性中心構象的作用。此後,經過一步耗能反應(Prp2 與 Spp2 催化),把 SF3a 複合物、SF3b 複合物(兩者在 E-複合物形成時被招募,可能與 U2 snRNP 招募和 3' 剪接訊號辨識有關)、RES 複合物與 NTC 的兩個亞基 Cwc24、Cwc27 從剪接體上解離,使 BPS 得以靠近活性中心。剪接體活化完成,稱為 B-複合物。

亞基組成讀起來很折磨人。NTC 複合物的核心組分包括 Prp19/Cwf8、Cef1/Ntc85/Cdc5、Syf1/Ntc90/Cwf3、Syf2/Ntc31、Syf3/Clf1/Ntc77/Cwf4、Snt309/Ntc25/Spf27/Cwf7、Isy1/Ntc30 與 Ntc20,此外還有近 20 個 NTC 相關蛋白——複合物名稱就源自其中一個亞基 Prp19。NTR 複合物的核心組分包括 Prp45、Bud31、Ecm2/Cwf5、Cwc2/Cwf2、Cwc15/Cwf15、Prp46/Cwf1 等(NTC 與 NTR 的組成高度動態,無法列出完整名單)。SF3a 複合物包括 SF3a60、SF3a66 與 SF3a120 等;SF3b 複合物包括 SF3b14、SF3b60、SF3b66、SF3b155、SF3b145 與 SF3b10 等;RES 複合物包括 Bud13、Pml1 與 Snu17 等。

C-複合物與 P-複合物/剪接反應。 在 I 步剪接因子 Cwc25 與 Yju2 協助下,分支點腺苷酸(A)殘基的 2'-OH 對 5'-SS GU 中的 G 發起親核攻擊,形成套索中間體,5'-外顯子被釋放,此時稱 C-複合物。然後再次發生位置重排(II 步剪接因子 Prp18 與 Slu7),3'-SS 進入活性中心,切斷並連接兩個外顯子,此時稱為 P-複合物(P: post-catalytic)。

剪接體解體。 外顯子在 Prp22 介導下釋放,此時稱內含子套索剪接體(intron lariat spliceosome, ILS);ILS 在 Prp43 介導下進一步解體。U4、U5、U6 snRNPs 隨後重新進入 Cajal 小體。

在剪接循環之外,U1、U2、U4、U5 snRNAs 在合成後進行 m⁷G 加帽並外輸至細胞質,並在環形 Sm 複合物(由三組亞複合物構成:SmB(B')-SmD3、SmD1-SmD2、SmE-SmF-SmG)介導下組裝為相應的 snRNPs。

而這個過程又受另一個複合物協助,稱為 SMN 複合物(SMN: survival of motor neurons)。因為發現 SMN 突變、或 SMN 水平過低或缺失,是脊髓性肌肉萎縮症(SMA)的致病基礎。

SMN 的核心蛋白包括 SMN/gemin1,以及 Gem 相關蛋白 Gemin2 至 Gemin8 和 unr 互作蛋白 unrip。SMN 複合物一般會進一步寡聚,在胚胎組織中稱為「Gem 小體」,於是 SMN 也是 Gems 的標誌蛋白;而在 Cajal 小體中,通常不容易檢測到 SMN。

SMN 複合物招募 PRMT5 複合物(pICln、WD45/MEP50 與 PRMT5;PRMT 是 II 型精胺酸甲基轉移酶),催化 Sm 複合物幾個核心蛋白(B(B')、D1 與 D3)發生「精胺酸對稱二甲基化」即 sDMA 修飾,可促進完整功能性 Sm 複合物的形成,以及隨後 U snRNP 的組裝。此外,SMN 招募 TGS1/PIMT 甲基化酶,該酶把 U snRNA 的 m⁷G 帽甲基化為三個甲基的 2,2,7-m₃G 帽,這個帽對 snRNP 的穩定性與回輸細胞核至關重要。值得注意的是,在整個 snRNA 生命週期中,它只出細胞核這一次。回輸細胞核的過程中,SMN 複合物會與 snRNP 相伴,SMN 與捲曲蛋白直接互作,把 snRNP 送入 Cajal 小體;在 Cajal 小體內部,SMN 與 snRNP 解離。之後去向不明,可能是回到細胞質。

SMN 蛋白的 Tudor 結構域與捲曲蛋白中被 sDMA 修飾的 RG 模體互作,這種互作模式十分保守,Tudor 結構域失活可引起 SMA。上面提到被 PRMT5 複合物或甲基化小體(methylosome; Molecular and Cellular Biology, 2001)進行 sDMA 修飾的 SmB(B')、D1 與 D3,其修飾也發生在 RG 模體中。此外還包括 hnRNPs U、R、Q、核仁蛋白 nucleolin、核仁纖維蛋白 fibrillarin、GAR1(被 I 型精胺酸轉甲酶 PRMT1 進行不對稱二甲基化 aDMA;PRMT1 位於細胞核而非細胞質)、EWS、RNA 解旋酶 A 等,於是也相應檢出 SMN 與之相互作用。

在 CBs 內,已確知會發生的事件包括(RNA Biology, 2017;Biochimica et Biophysica Acta, 2008):U2 snRNA 組裝為 U2 snRNP,並與 SF3a、SF3b 複合物附著在一起;U4/U5/U6 tri-snRNP 的重新組裝(剪接循環)與從頭組裝(snRNA 轉錄之後);U snRNA 的 2'-O-核糖甲基化與假尿嘧啶化,這種修飾需要 scaRNAs(small Cajal body RNAs)參與,其作用是將修飾酶引導至標的序列。scaRNA 無論結構或作用模式都類似 snoRNA(核仁小 RNA):box C/D snoRNA 引導一種甲基化酶(含核仁纖維蛋白),box H/ACA snoRNA 引導一種假尿嘧啶合成酶(含 GAR1)。而 snoRNA 在進入核仁以前,也在 CBs 中進行 2'-O-核糖甲基化與假尿嘧啶化。連端粒酶 RNA 也存在於 CBs 中,至於做什麼,目前不清楚。U7 snRNP 的成熟似乎也可能發生於 CBs,此過程需要 U2 snRNP 參與;另外發現 CBs 經常與組蛋白基因簇相互作用,但細節有太多不明。

儘管如此,一般認為 Cajal 小體只是提高了相關過程的效率,而不是這些過程所必需。就連捲曲蛋白本身,其實也只有很小一部分定位於 CBs 中。雙敲捲曲蛋白的小鼠仍能存活,生活力輕微下降;相比之下,雙敲 SMN 對小鼠來說是胚胎致死。

突觸帶:有光時就解體,黑暗中再組裝

突觸帶(synaptic ribbon),又叫突觸體或稠密體(dense body),是帶狀突觸(ribbon synapse)中特化的細胞器;或者說,兩者是相互錨定的概念。

突觸帶是平板一樣的結構,厚度 35 nm,長寬可達(1 至 2)μm ×(0.2 至 0.4)μm,錨定在帶狀突觸的活化帶(active zone)上,其上掛滿了內含神經遞質的囊泡(Neuroscientist, 2009),使帶狀突觸終末能儲存的囊泡比一般突觸多得多,可達數千甚至上萬個。平板狀結構的核心(也幾乎是唯一的)蛋白組分是 RIBEYE,其他蛋白組分參與懸掛遞質囊泡、錨定於活化帶等(Cell and Tissue Research, 2006)。

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帶狀突觸的分布極為局限,幾乎僅見於光受體(視桿與視錐)細胞、內耳毛細胞與前庭細胞的終末等處。與神經遞質一般的釋放方式不同,帶狀突觸能夠支持(儘管並不一定)以持續恆定的高水平模式釋放大量遞質,這與視錐細胞和毛細胞傳遞光、聲訊號的工作方式有關。突觸帶結構也相當動態:例如在光受體細胞中,有光時突觸帶傾向解體,黑暗時則傾向組裝。

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蛋白酶體:細胞裡的碎肉機

蛋白酶體(proteasome)的功能就是專職降解細胞質中的蛋白質,與泛素(ubiquitin)和 E1 至 E4 泛素連接酶一起構成「泛素-蛋白酶體降解(UPD)途徑」。

泛素對於要被降解的蛋白來說是一種標記,細胞就是這樣實現選擇性地降解那些該被降解的蛋白。蛋白酶體是個非常古老的細胞器,各個域的生物中都發現了;在古菌中叫做 PAN 複合物(proteasome-activating nucleotidase)。

結構上,蛋白酶體包括核心顆粒(core particle, CP, 20S),即「碎肉機/滾筒洗衣機」催化亞基 α₁₋₇β₁₋₇β₁₋₇α₁₋₇;以及調節顆粒(regulatory particle, RP, 19S, 700 至 900 kDa)。RP 的組成與結構相當複雜,其亞基也包括兩組,即 RPT 與 RPN:RPT1 至 RPT6 是 AAA+ 家族 ATP 酶,是「去摺疊酶」(unfoldase),也是「基座」(base)的主體;RPN 中大多數亞基是「蓋」(lid)的主體,承擔辨識泛素標記、移除泛素標記、結構支架之類的作用。

引入蛋白酶體亞基的系統命名規則之後,亞基被分為幾個組/家族:PSMA、PSMB、PSMC、PSMD,甚至 PSME/F/G。PSMA 是核心顆粒的 α 亞基,PSMB 是 β 亞基,RPT 是 PSMC,RPN 是 PSMD。PSME1 至 PSME4 分別對應 PA28α 至 PA28γ 與 PA200,是 11S 調節顆粒的組分,作用是活化核心顆粒的酶活。

另外,免疫細胞中高表現「免疫蛋白酶體」(immunoproteasome),與一般蛋白酶體的差別在於幾個 β 亞基:β1、2、5 被替換成 β1i、2i、5i,沿用 PSMB 編號,分別稱為 PSMB9、PSMB10、PSMB8;它們在基因組中的位置與編碼 MHC-I、MHC-II 及 TAP1/2 的基因比較接近。免疫蛋白酶體的作用是處理抗原蛋白、產生肽段以供 MHC-I 呈遞,即「內源性抗原」的「細胞質基質呈遞途徑」。

26S 蛋白酶體結構:20S 核心顆粒與 19S 調節顆粒,顯微觀察下的巨型機器

此外,皮質胸腺上皮細胞還表現一種「胸腺蛋白酶體」(thymoproteasome),與一般蛋白酶體的差別是 β5 替換成 β5t 即 PSMB11;作用不明,僅知道它對 CD8⁺ T 細胞發育成熟非常關鍵。

2002 年曾有一篇文章提出破碎體(clastosome)這個概念(Molecular Biology of the Cell, 2002):指的是一類富集著蛋白酶體、泛素、PML 蛋白與相關受質的核內結構,似乎是細胞的蛋白降解活動高度活躍時,透過某種機制把蛋白酶體富集而成的 0.2 至 0.5 μm 大小的隔室,而通常並不會出現在正常細胞中。類似地,剪接體富集時似乎也能形成核小點(nuclear speckle)這樣的核內器(儘管剪接體本身已經非常龐大),雖然核小點的結構比破碎體複雜得多。

中介體:既是橋樑,也折疊染色質

中介體(mediator)是最有名的轉錄共激活物(co-activator),參與增強子介導的轉錄調控,在增強子與 RNA 聚合酶 II 之間充當橋樑的角色,故名;另外還與黏合素(cohesin)一同參與調控染色質空間結構的組織,與黏合蛋白的互作及染色質空間結構調控,現在成了中介體功能中非常熱門的研究方向。

酵母中介體有 20 個亞基,分子量約 80 萬;哺乳動物的大一些,有 26 個亞基,分子量約 1.4 MDa,亞基的系統命名採用「Med + 編號」。

如果把整個「前起始複合物」(PIC)算進來——包括 RNA 聚合酶 II 完整複合物那 20 個左右的亞基,以及增強子和多種多樣的轉錄激活子——整套機器可以變得異常龐大。

一般把中介體分成 3 個模組(module),即頭部(head)、中部(middle)與尾部(tail)。頭部與中部與 RNA 聚合酶 II 互作;尾部的空間構象柔軟多變,結合轉錄激活子。其中 Med14 與 Med17 是兩個主要的支架蛋白,把三個模組緊密套接;在人類中介體中,至少 9 個亞基共同形成一個 α-螺旋束作為骨架。另外還有一個中介體激酶模組(MKM),包含細胞週期素(cyclin)C、細胞週期素依賴性激酶 CDK8(脊椎動物中是 CDK19)、Med12 與 Med13;結合並不牢固,可以解離。算上 MKM,就是中介體唯一具有催化活性的部分,其受質譜很廣,其中包括一眾轉錄因子(TF)、MKM 與中介體自身以及 RNA 聚合酶 II——考慮受質的多樣性,中介體的作用就變得更複雜了。

有意思的是,有人發現 Med1 跟溴結構域蛋白 Brd4 大量富集,引起相分離形成大液滴,並富集轉錄機器,介導超級增強子調控基因表現的過程(Nature Communications, 2022)。這種較為均質的大型液滴,大可看作一種動態的細胞器,在細胞內非常多見。

現在有關液-液相分離的研究與理論模型相當繁多,醫學界與工程界已經在朝調控、甚至在細胞內有目的地引發與組裝具一定功能的相分離液滴邁進。

更小、更古怪的機器

有些細胞機器更小、結構或功能更不尋常,或者只在病理條件下出現。

Ccr4-Not 複合物。 多功能、保守、必不可少;催化活性包括去除 mRNA 的 poly(A) 尾以及 E3 泛素連接酶活性,另外還參與 mRNA 降解的許多其他環節,含 10 餘個亞基。

發炎小體(inflammasome)。 介導病原/損傷/危險相關分子模式(P/DAMPs)引起的發炎。

程序性死亡小體。 凋亡小體、壞死小體與泛凋亡小體(apoptosome/necroptosome/PANoptosome),分別是介導細胞凋亡(apoptosis)、程序性壞死(necroptosis)與泛凋亡(PANoptosis)的分子平台。

細胞週期體/複合物(cyclosome/APC)。 實質是 E3 泛素連接酶,給保全蛋白 securin、細胞週期素 cyclin S 與 M 加泛素,使其被降解,引起姊妹染色單體分離,細胞分裂從中期進入後期。

TREX-2-EJC 複合物。 介導 mRNA 出核的接頭蛋白,有些與剪接體重疊。

巴爾氏體(Barr body)。 高度異染色質化、轉錄沉默且蜷縮的整條 X 染色體。僅見於女性與克林菲爾特症候群。

AAA+ 家族。 很多 AAA+ ATP 酶家族蛋白都會形成大型六/七聚體,並進一步寡聚形成更大的機器,且往往執行非常保守的功能,如 Cdc48 複合物、GroEL-GroES(真核生物中稱 Hsp60-Hsp10)等。

巨型酶。 一些分子量巨大且多亞基的酶。還有其他。

膜上的巨型機器

還有很多巨型機器存在於膜上,比如植物中的光系統、呼吸作用中的電子傳遞鏈複合物、核孔複合體(NPC),都是幾十上百個亞基,分子量都在 MDa 以上。

總的來說,只要各位願意探索,這些巨型分子機器都很有趣。

還有一件事值得做:一個細胞,看進去了就不再抽象。可以觀察的標本裡有一份衣藻標本,杯狀葉綠體與單細胞的體型都清晰可見——它提醒你,細胞器不是示意圖,而是有邊界、有顏色、有位置的實物。若想在讀下一張圖之前先看看細胞到底長什麼樣,WWAI 把虛擬顯微鏡與 AI 生物學導師放進你的口袋:問它你正在看什麼,在顯微鏡下觀察標本,不必等玻片寄到。在應用程式商店搜尋 WWAI 即可下載。

References

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